JP4740559B2 - Pulse power supply - Google Patents
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Description
本発明は、正極性のパルスと負極性のパルスとを連続して出力するパルス電源に関する。 The present invention relates to a pulse power source that continuously outputs a positive pulse and a negative pulse.
近時、高電圧パルスの放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、成膜、有害ガスの分解等を行う技術が適応されるようになってきたが(例えば特許文献1及び非特許文献1参照)、プラズマによる処理を効率よく行うためには、高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給することが必要であることがわかってきている(例えば非特許文献2参照)。
Recently, techniques for performing deodorization, sterilization, film formation, decomposition of harmful gases, and the like have been applied by plasma generated by discharge of a high-voltage pulse (see, for example,
また、例えば特許文献2に示すようなパルス電源が提案されている。このパルス電源100は、図5に示すように、直流電源部102の両端にインダクタ104、第1の半導体スイッチ106及び第2の半導体スイッチ108を直列に接続し、第1の半導体スイッチ106のアノード端子に一端が接続された前記インダクタ104の他端にカソード、前記第1の半導体スイッチ106のゲート端子にアノードとなるようにダイオード110を接続した極めて簡単な回路である。
For example, a pulse power supply as shown in
そして、第2の半導体スイッチ108をオンすることにより、第1の半導体スイッチ106も導通し、インダクタ104に直流電源部102の電圧が印加され、該インダクタ104に誘導エネルギが蓄積される。その後、第2の半導体スイッチ108をオフさせると、第1の半導体スイッチ106も急速にターンオフするため、インダクタ104に非常に急峻に立ち上がる極めて幅の狭い高電圧パルスPoが発生し、出力端子112及び114より高電圧パルスPoを取り出すことができる。
When the
このパルス電源100によれば、高電圧が印加される半導体スイッチを複数個使用することなく、簡単な回路構成で、急峻な立ち上がり時間と極めて狭いパルス幅を有する高電圧パルスPoを供給することができる。
According to this
ところで、電界を変化させて、電子を加速することによってプラズマを発生するために用いられるパルス電源では、低電圧によって高い電位差を発生させるために、極性が逆のパルス、すなわち、正極性のパルスと負極性のパルスを連続して出力する方式が採用されている。 By the way, in the pulse power supply used to generate plasma by changing the electric field and accelerating the electrons, in order to generate a high potential difference by a low voltage, a pulse with a reverse polarity, that is, a positive pulse A system in which negative pulses are continuously output is employed.
この方式による従来のパルス電源200は、例えば図6に示すように、直流電源202と、該直流電源202の両端に直列接続された第1のスイッチ204及び第2のスイッチ206と、前記直流電源202の両端に直列接続された第3のスイッチ208及び第4のスイッチ210と、第1のスイッチ204と第2のスイッチ206との接点a1と第3のスイッチ208及び第4のスイッチ210との接点a2との間に1次巻線212が接続されたトランス214とを有する。つまり、ブリッジ構成となっている。出力電圧Voutはトランス214の2次巻線216の両端から取り出されるようになっている。
For example, as shown in FIG. 6, a conventional
そして、例えば第2のスイッチ206と第3のスイッチ208をオンすることで、図7に示すように、2次巻線216の両端からは負極性の電圧が出力され、所定時間後、第2のスイッチ206と第3のスイッチ208をオフするとことで負極性のパルス218が生成される。また、第1のスイッチ204と第4のスイッチ210をターンオンすることで、2次巻線216の両端からは正極性の電圧が出力され、所定時間後、第1のスイッチ204と第4のスイッチ210をターンオフすることで負極性のパルス220が出力されることになる。
Then, for example, when the
しかし、この従来例に係るパルス電源200は、ブリッジを組むことから、4つのスイッチ204、206、208及び210を使用する必要があり、部品点数が多くなるという不都合がある。これは、サイズの大型化、コストの高価格化を招く。
However, since the
小型、安価なパルス電源として、上述した特許文献2に示すパルス電源100(図5参照)があるが、単極性のパルスしか発生できないという問題がある。
As a small and inexpensive pulse power source, there is a pulse power source 100 (see FIG. 5) described in
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、小型化、コストの低廉化を図ることができ、しかも、正極性のパルスと負極性のパルスを連続して発生することができるパルス電源を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and can be reduced in size and cost, and can continuously generate a positive pulse and a negative pulse. An object is to provide a pulsed power supply.
本発明に係るパルス電源は、トランスに対する第1の誘導エネルギーの蓄積と、前記トランスからの前記第1の誘導エネルギーの解放に伴う第1のパルスの発生と、前記トランスに対する前記第1の誘導エネルギーとは逆極性の第2の誘導エネルギーの蓄積と、前記トランスからの前記第2の誘導エネルギーの解放に伴う前記第1のパルスとは逆極性の第2のパルスの発生とを行うパルス電源において、直流電源と、前記トランスの一次巻線に設けられたタップ接続点と、前記直流電源の−端子と前記タップ接続点との間に接続され、前記一次巻線に流れる電流を前記直流電源側に引き込む第1のスイッチング素子と、前記直流電源の+端子と前記一次巻線の一方の端子との間に順方向に接続された第1のダイオードと、前記直流電源の+端子と前記一次巻線の他方の端子との間に順方向に接続された第2のダイオードと、前記直流電源の+端子と前記第1のダイオードとの間に接続され、オン動作することで、前記直流電源から前記第1のダイオード及び前記一次巻線の前記一方の端子を経由して前記タップ接続点に向けて電流を流して、前記タップ接続点と前記一方の端子間の電圧を負極性の電圧、前記トランスの二次巻線の電圧を負極性の電圧とし、オフ動作することで、前記トランスの二次巻線の電圧を正極性の電圧とする第2のスイッチング素子と、前記直流電源の+端子と前記第2のダイオードとの間に接続され、オン動作することで、前記直流電源から前記第2のダイオード及び前記一次巻線の前記他方の端子を経由して前記タップ接続点に向けて電流を流して、前記タップ接続点と前記他方の端子間の電圧を正極性の電圧、前記トランスの二次巻線の電圧を正極性の電圧とし、オフ動作することで、前記トランスの二次巻線の電圧を負極性の電圧とする第3のスイッチング素子とを有し、前記第1のスイッチング素子は、バイポーラトランジスタにて構成され、そのゲート端子と前記第1のダイオードのアノード端子間に、前記ゲート端子から前記第1のダイオードの前記アノード端子の方向を順方向とする第3のダイオードと第1の抵抗との第1の並列回路が接続され、且つ、前記ゲート端子と前記第2のダイオードのアノード端子間に、前記ゲート端子から前記第2のダイオードの前記アノード端子の方向を順方向とする第4のダイオードと第2の抵抗との第2の並列回路が接続されていることを特徴とする。
The pulse power supply according to the present invention includes accumulation of first inductive energy for a transformer, generation of a first pulse accompanying release of the first inductive energy from the transformer, and the first inductive energy for the transformer. In a pulse power source for storing second induced energy having a polarity opposite to that of the first pulse and generating a second pulse having a polarity opposite to that of the first pulse accompanying the release of the second induced energy from the transformer A direct current power source, a tap connection point provided in the primary winding of the transformer, and a negative terminal of the direct current power source and the tap connection point. A first switching element drawn into the first power source, a first diode connected in a forward direction between a positive terminal of the DC power source and one terminal of the primary winding, and a positive end of the DC power source And a second diode connected in the forward direction between the first terminal and the other terminal of the primary winding, and a positive diode connected to the positive terminal of the DC power source and the first diode. A current is passed from the DC power source to the tap connection point via the first diode and the one terminal of the primary winding, and the voltage between the tap connection point and the one terminal is negative. A second switching element that sets the voltage of the secondary winding of the transformer to a negative polarity voltage and turns off the voltage of the secondary winding of the transformer to a positive polarity voltage, and the direct current The tap connection point is connected between the positive terminal of the power source and the second diode, and is turned on so that the direct current power source passes through the second diode and the other terminal of the primary winding. Current flows toward the front The voltage between the tap connection point and the other terminal is set to a positive voltage, the voltage of the secondary winding of the transformer is set to a positive voltage, and the voltage of the secondary winding of the transformer is set to a negative polarity by performing an off operation. have a third switching element to sexual voltage, the first switching element is constituted by a bipolar transistor, its between the anode terminal of the gate terminal and the first diode, said from the gate terminal A first parallel circuit of a third diode and a first resistor whose forward direction is the direction of the anode terminal of the first diode is connected, and between the gate terminal and the anode terminal of the second diode the fourth diode and wherein Rukoto second parallel circuit of the second resistor is connected to the direction of the anode terminal of the second diode from the gate terminal and the forward And
本発明に係るパルス電源は、正極性のパルスと負極性のパルスを連続して出力するパルス電源の小型化及び低コスト化を図ることができる。 The pulse power source according to the present invention can reduce the size and cost of a pulse power source that continuously outputs a positive pulse and a negative pulse.
以上説明したように、本発明に係るパルス電源によれば、小型化、コストの低廉化を図ることができ、しかも、正極性のパルスと負極性のパルスを連続して発生することができる。 As described above, according to the pulse power supply of the present invention, it is possible to reduce the size and the cost, and it is possible to continuously generate a positive pulse and a negative pulse.
以下、本発明に係るパルス電源の実施の形態例を図1〜図4Hを参照しながら説明する。 Embodiments of a pulse power source according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
まず、第1の実施の形態に係るパルス電源10Aは、図1に示すように、直流電源12(電源電圧=E)と、トランス14とを有し、トランス14の2次巻線16の両端から出力が取り出されるようになっている。トランス14の1次巻線18はタップ接続点20を有し、2次巻線16の両端には負荷22が接続されている。負荷22としては、例えば抵抗負荷や容量性負荷(放電ギャップ等)が用いられる。
First, as shown in FIG. 1, the
また、この第1の実施の形態に係るパルス電源10Aは、直流電源12の+端子と1次巻線18のタップ接続点20との間に順方向接続された第1のダイオードD1と、1次巻線18の一方の端子26と直流電源12の−端子との間に接続され、且つ、直流電源12からの電流をタップ接続点20から一方の端子26に向けて流す第1の半導体スイッチS1と、該第1の半導体スイッチS1のオン/オフを制御する第2の半導体スイッチS2と、1次巻線18の他方の端子28と直流電源12の−端子との間に接続され、且つ、直流電源12からの電流をタップ接続点20から他方の端子28に向けて流す第3の半導体スイッチS3と、該第3の半導体スイッチS3のオン/オフを制御する第4の半導体スイッチS4とを有する。
The
第1の半導体スイッチS1及び第3の半導体スイッチS3は、それぞれ自己消弧形あるいは転流消弧形のデバイスを用いることができる。この第1の実施の形態では、バイポーラトランジスタを用いた例を示す。もちろん、GTOやSIサイリスタ等を用いてもよい。 The first semiconductor switch S1 and the third semiconductor switch S3 can use self-extinguishing type or commutation-extinguishing type devices, respectively. In the first embodiment, an example using a bipolar transistor is shown. Of course, GTO, SI thyristor, or the like may be used.
第1の半導体スイッチS1は、そのコレクタ端子とエミッタ端子との間に第2のダイオードD2が接続され、また、ベース端子と第1のダイオードD1のアノード端子との間に、第3のダイオードD3と第1の抵抗R1との並列回路30が接続されている。第2のダイオードD2は、そのカソード端子が第1の半導体スイッチS1のコレクタ端子に接続され、アノード端子が第1の半導体スイッチS1のエミッタ端子に接続される。第3のダイオードD3は、そのアノード端子が第1の半導体スイッチS1のベース端子に接続され、カソード端子が第1のダイオードD1のアノード端子に接続される。
In the first semiconductor switch S1, a second diode D2 is connected between the collector terminal and the emitter terminal, and a third diode D3 is connected between the base terminal and the anode terminal of the first diode D1. And a
同様に、第3の半導体スイッチS3は、そのコレクタ端子とエミッタ端子との間に第4のダイオードD4が接続され、また、ベース端子と第1のダイオードD1のアノード端子との間に、第5のダイオードD5と第2の抵抗R2との並列回路32が接続されている。第4のダイオードD4は、そのカソード端子が第3の半導体スイッチS3のコレクタ端子に接続され、アノード端子が第3の半導体スイッチS3のエミッタ端子に接続される。第5のダイオードD5は、そのアノード端子が第5の半導体スイッチS5のベース端子に接続され、カソード端子が第1のダイオードD1のアノード端子に接続される。
Similarly, in the third semiconductor switch S3, the fourth diode D4 is connected between the collector terminal and the emitter terminal, and the fifth diode D4 is connected between the base terminal and the anode terminal of the first diode D1. A
第2の半導体スイッチS2及び第4の半導体スイッチS4は、それぞれ自己消弧形あるいは転流消弧形のデバイスを用いることができる。この第1の実施の形態では、アバランシェ形ダイオードが逆並列で内蔵された例えばnチャネル型の電力用金属酸化半導体電界効果トランジスタを使用している。 As the second semiconductor switch S2 and the fourth semiconductor switch S4, self-extinguishing type or commutation-extinguishing type devices can be used, respectively. In the first embodiment, for example, an n-channel power metal oxide semiconductor field effect transistor in which an avalanche diode is built in antiparallel is used.
そして、第2の半導体スイッチS2は、ソース端子が直流電源12の−端子に接続され、ドレイン端子が第1の半導体スイッチS1のエミッタ端子に接続されている。第4の半導体スイッチS4は、ソース端子が直流電源12の−端子に接続され、ドレイン端子が第3の半導体スイッチS3のエミッタ端子に接続されている。
The second semiconductor switch S2 has a source terminal connected to the negative terminal of the
第2の半導体スイッチS2のゲート端子には、該第2の半導体スイッチS2のオン及びオフを制御する第1のゲート駆動回路34が抵抗R3を介して接続されている。同様に、第4の半導体スイッチS4のゲート端子には、該第4の半導体スイッチS4のオン及びオフを制御する第2のゲート駆動回路36が抵抗R4を介して接続されている。第1及び第2のゲート駆動回路34及び36としては、入力信号を増幅する各種増幅器やインバータ等を用いることができる。
The gate terminal of the second semiconductor switch S2 is connected to a first
ここで、第1の実施の形態に係るパルス電源10Aの回路動作、特に、2次巻線16の両端に接続される負荷22として放電ギャップを用いた場合の回路動作について、図1の回路図と図2A〜図2Hの波形図とを参照しながら説明する。
Here, the circuit operation of the
なお、直流電源12の電圧をE(V)、トランス14における1次巻線18のタップ接続点20から一方の端子26までの巻数をn1、タップ接続点20から他方の端子28までの巻数をn2、2次巻線16の巻数をn3とする。また、トランス14の1次インダクタンスのうち、タップ接続点20から一方の端子26までの1次インダクタンスをLex1、タップ接続点20から他方の端子28までの1次インダクタンスをLex2とする。
Note that the voltage of the
まず、時点t0において、第1のゲート駆動回路34から第2の半導体スイッチS2のゲート−ソース間に例えば高レベルのスイッチング制御信号Sc1(図2G参照)が供給され、第2の半導体スイッチS2がオフからオンになる。
First, at a time point t0, for example, a high-level switching control signal Sc1 (see FIG. 2G) is supplied from the first
時点t0で第2の半導体スイッチS2がターンオンすると、トランス14における1次巻線18のタップ接続点20と一方の端子26間には、V1=−E(V)が印加され(図2A参照)、タップ接続点20と他方の端子28間には、V2=−(n2/n1)E(V)が誘導され(図2C参照)、タップ接続点20と一方の端子26間に流れる電流I1は、勾配(E/Lex1)で時間の経過に伴って直線状に正方向に増加する(図2B参照)。
When the second semiconductor switch S2 is turned on at time t0, V1 = −E (V) is applied between the
そして、第2の半導体スイッチS2がオンとなっている期間tw1において、2次巻線16の両端には、一定の負極性の電圧(負極性のパルスP3a)が出力される。この2次巻線16の両端に現れる出力電圧V3のレベルは−(n3/n1)E(V)である(図2E参照)。なお、負荷22として放電ギャップを用いていることから、前記期間tw1においては、2次巻線16にはほとんど電流I3は流れず、0(A)が維持される(図2F参照)。
In the period tw1 during which the second semiconductor switch S2 is on, a constant negative voltage (negative pulse P3a) is output to both ends of the secondary winding 16. The level of the output voltage V3 appearing at both ends of the secondary winding 16 is-(n3 / n1) E (V) (see FIG. 2E). Since the discharge gap is used as the
1次巻線18のタップ接続点20と一方の端子26間を流れる電流I1は、時点t1でIp1(=E・tw1/Lex1)となり、所望の電磁エネルギ(=Lex1・Ip12/2)が得られると、第1のゲート駆動回路34を通じて低レベルのスイッチング制御信号Sc1(図2G参照)が供給され、これにより、第2の半導体スイッチS2がターンオフする。
Current I1 flowing between one terminal 26 and the
時点t1において、第2の半導体スイッチS2がターンオフすると、第1の半導体スイッチS1が開放状態となるため、トランス14の1次巻線18に流れていた電流I1は遮断され、トランス14に発生する誘導起電力によって出力電圧V3が急峻に上昇し、正電圧値(V3p1)をピークとした狭いパルス幅のパルスP3bが出力される(図2E参照)。
At time t1, when the second semiconductor switch S2 is turned off, the first semiconductor switch S1 is opened, so that the current I1 flowing in the primary winding 18 of the
すなわち、トランス14に発生する誘導起電力によって出力電圧V3が急峻に上昇し、正電圧値(V3p1)をピークとする正極性の電圧(正極性のパルスP3b)が出力される。理想的には、第2の半導体スイッチS2をオフにした時点で出力電圧V3がピーク値(V3p1)になることだが、トランス14の漏れインダクタンスによって、2次巻線16に流れる電流I3の立ち上がりがわずかに緩くなるため、これに応じて、出力電圧V3のピーク値(V3p1)も第2の半導体スイッチS2のオフ時点t1よりもわずかに遅い時点t2で生じることになる。しかし、第2の半導体スイッチS2がオフとなった時点t1から出力電圧V3がピーク値(V3p1)になる時点t2までのわずかの期間Tmにおいて、出力電圧V3は、負極性の電圧値(−(n3/n1)E)から正極性の電圧値(V3p1)に向けて急峻に立ち上がることになるため、上述したタイムラグ(期間Tm)はほとんど無視できる程度である。
That is, the output voltage V3 sharply increases due to the induced electromotive force generated in the
なお、時点t1からt2の期間においてトランス14における1次巻線18のタップ接続点20と他方の端子28間に誘導される電圧V2=(n2/n3)V3(V)(図2C参照)が直流電源12の電圧(E)より大きくなると、その差電圧(V2−E)が第1のダイオードD1へ逆方向に印加されることになる。この結果、直流電源12への電流流入は阻止され、トランス14に蓄積されたエネルギーは直流電源12へ回生されること無くすべて負荷22で消費されることになる。
Note that the voltage V2 = (n2 / n3) V3 (V) (see FIG. 2C) induced between the
出力電圧V3のピーク値、すなわち、正極性のパルスP3bのピーク値(V3p1)は、負荷22の放電開始電圧により決まる値である。なお、出力電圧V3は、ピークの時点t2を過ぎると、負荷22においてエネルギーが消費されることから、徐々に減衰し、第2の半導体スイッチS2がオフとなっている期間tdの時点t3で基準レベル(0V)になる。また、2次巻線16を流れる電流I3も時点t3にて基準レベル(0A)になる。このとき、負極性のパルスP3aの積分値と正極性のパルスP3bの積分値がほぼ同じになるように、出力電圧V3が減衰することとなる。
The peak value of the output voltage V3, that is, the peak value (V3p1) of the positive pulse P3b is a value determined by the discharge start voltage of the
なお、直流電源12の電圧Eを100V、励磁インダクタンスLex1及びLex2を共に10(μH)、トランスの巻線比n1:n2:n3を1:1:5〜10としたとき、1次巻線18のタップ接続点20と一方の端子26間を流れる電流I1のピーク値Ip1はほぼ100(A)、出力電圧V3のピーク値(V3p1)は数〜30(kV)、2次巻線16を流れる電流I3のピーク値(I3p1)は数〜数10(A)である。また、第2の半導体スイッチS2がオンとなっている時間(時点t0から時点t1までの時間)は約10μsecとした。
When the voltage E of the
その後、時点t4において、第2のゲート駆動回路36から第4の半導体スイッチS4のゲート−ソース間に例えば高レベルのスイッチング制御信号Sc2(図2H参照)が供給され、第4の半導体スイッチS4がオフからオンになる。
Thereafter, at time t4, for example, a high-level switching control signal Sc2 (see FIG. 2H) is supplied from the second
時点t4で第4の半導体スイッチS4がターンオンすると、トランス14における1次巻線18のタップ接続点20と他方の端子28間には、V2=E(V)が印加され(図2C参照)、タップ接続点20と一方の端子26間には、V1=(n1/n2)E(V)が誘導され(図2A参照)、タップ接続点20と他方の端子28間に流れる電流I2は、勾配−(E/Lex2)で時間の経過に伴って直線状に負方向に増加する(図2D参照)。
When the fourth semiconductor switch S4 is turned on at time t4, V2 = E (V) is applied between the
そして、第4の半導体スイッチS4がオンとなっている期間tw2において、2次巻線16の両端には、一定の正極性の電圧(正極性のパルスP3c)が出力される。この2次巻線16の両端に現れる出力電圧V3のレベルは(n3/n2)E(V)である(図2E参照)。この期間tw2においては、2次巻線16にはほとんど電流I3は流れず、0(A)が維持される(図2F参照)。 In the period tw2 during which the fourth semiconductor switch S4 is on, a constant positive voltage (positive pulse P3c) is output to both ends of the secondary winding 16. The level of the output voltage V3 appearing at both ends of the secondary winding 16 is (n3 / n2) E (V) (see FIG. 2E). In this period tw2, the current I3 hardly flows through the secondary winding 16, and 0 (A) is maintained (see FIG. 2F).
1次巻線18のタップ接続点20と他方の端子28間を流れる電流I2は、時点t5でIp2(=E・tw2/Lex2)となり、所望の電磁エネルギ(=Lex2・Ip22/2)が得られると、第2のゲート駆動回路36を通じて低レベルのスイッチング制御信号Sc2(図2H参照)が供給され、これにより、第4の半導体スイッチS4がターンオフする。
Current I2 flowing between the
時点t5において、第4の半導体スイッチS4がターンオフすると、第3の半導体スイッチS3が開放状態となるため、トランス14の1次巻線18に流れていた電流I2は遮断され、トランス14に発生する誘導起電力によって出力電圧V3が急峻に下降し、負電圧値(V3p2)をピークとした狭いパルス幅のパルスP3dが出力される(図2E参照)。
At time t5, when the fourth semiconductor switch S4 is turned off, the third semiconductor switch S3 is opened, so that the current I2 flowing in the primary winding 18 of the
すなわち、トランス14に発生する誘導起電力によって出力電圧V3が急峻に下降し、負電圧値(V3p2)をピークとする負極性の電圧(負極性のパルスP3d)が出力される。この場合も、トランス14の漏れインダクタンスによって、2次巻線16に流れる電流I3の立ち下がりがわずかに緩くなるため、これに応じて、出力電圧V3のピーク値(V3p2)も第4の半導体スイッチのオフ時点t5よりもわずかに遅い時点t6で生じることになる。しかし、第4の半導体スイッチがオフとなった時点t5から出力電圧V3がピーク値(V3p2)になる時点t6までのわずかの期間Tnにおいて、出力電圧V3は、正極性の電圧値(−(n3/n2)E)から負極性の電圧値(V3p2)に向けて急峻に立ち下がることになるため、上述したタイムラグ(期間Tn)はほとんど無視できる程度である。
That is, the output voltage V3 sharply drops due to the induced electromotive force generated in the
なお、時点t5からt6の期間においてトランス14における1次巻線18のタップ接続点20と一方の端子26間に誘導される電圧V1=−(n1/n3)V3(V)(図2A参照)が直流電源12の電圧(−E)より小さくなると、その差電圧(V1−E)が第1のダイオードD1へ逆方向に印加されることになる。この結果、直流電源12への電流流入は阻止され、トランス14に蓄積されたエネルギーは直流電源12へ回生されること無くすべて負荷22で消費されることになる。
It should be noted that the voltage V1 = − (n1 / n3) V3 (V) induced between the
出力電圧V3のピーク値、すなわち、負極性のパルスP3dのピーク値(V3p2)は、負荷22の放電開始電圧により決まる値である。
The peak value of the output voltage V3, that is, the peak value (V3p2) of the negative polarity pulse P3d is a value determined by the discharge start voltage of the
なお、出力電圧V3は、ピークの時点t6を過ぎると、負荷22においてエネルギーが消費されることから、徐々に減衰し、第4の半導体スイッチS4がオフとなっている期間tfの時点t7で基準レベル(0V)になる。また、2次巻線16を流れる電流I3も時点t7にて基準レベル(0A)になる。このとき、正極性のパルスP3cの積分値と負極性のパルスP3dの積分値がほぼ同じになるように、出力電圧V3が減衰することとなる。 It should be noted that the output voltage V3 is gradually attenuated after the peak time point t6 and is gradually attenuated, and the reference voltage is obtained at the time point t7 of the period tf in which the fourth semiconductor switch S4 is off. It becomes level (0V). Further, the current I3 flowing through the secondary winding 16 also becomes the reference level (0 A) at time t7. At this time, the output voltage V3 is attenuated so that the integral value of the positive pulse P3c and the integral value of the negative pulse P3d are substantially the same.
なお、具体的な値としては、上述と同様の条件下において、1次巻線18のタップ接続点20と他方の端子28間を流れる電流I2のピーク値Ip2はほぼ−100(A)、出力電圧V3のピーク値(V3p2)は−数〜−30(kV)、2次巻線16を流れる電流I3のピーク値(I3p2)は−数〜−数10(A)である。
As a specific value, the peak value Ip2 of the current I2 flowing between the
第4の半導体スイッチS4をターンオンさせるタイミングとしては、負荷22での放電が完全に停止してから行うのが好ましいため、第2の半導体スイッチS2がターンオフした時点t1から第4の半導体スイッチS4がターンオンする時点t4までの期間tdは、数〜数100μsecとした。また、第4の半導体スイッチS4がオンとなっている期間tw2(時点t4から時点t5までの期間)は約10μsecとした。
The fourth semiconductor switch S4 is preferably turned on after the discharge at the
このように、第1の実施の形態に係るパルス電源10Aにおいては、特開2002−359979号公報(特許文献2)に示すパルス電源の有利な点を踏襲しながらも、正極性のパルスP3bと負極性のパルスP3dを連続して出力するパルス電源10Aの小型化及び低コスト化を図ることができる。
Thus, in the
次に、第2の実施の形態に係るパルス電源10Bについて図3、図4A〜図4Hを参照しながら説明する。なお、第1の実施の形態と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。 Next, a pulse power supply 10B according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4A to 4H. In addition, about the thing corresponding to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the duplication description is abbreviate | omitted.
この第2の実施の形態に係るパルス電源10Bは、上述した第1の実施の形態に係るパルス電源10Aとほぼ同様の構成を有するが、以下の点で異なる。
The pulse power supply 10B according to the second embodiment has substantially the same configuration as the
すなわち、直流電源12の−端子とトランス14のタップ接続点20との間に接続され、且つ、トランス14の1次巻線18に流れる電流を直流電源12側に引き込む第5の半導体スイッチS5と、1次巻線18の一方の端子26と第2の半導体スイッチS2との間に順方向接続された第6のダイオードD6と、1次巻線18の他方の端子28と第4の半導体スイッチS4との間に順方向接続された第7のダイオードD7とを有する。
That is, the fifth semiconductor switch S5 connected between the negative terminal of the
第5の半導体スイッチS5は、自己消弧形あるいは転流消弧形のデバイスを用いることができる。この第2の実施の形態では、バイポーラトランジスタを用いた例を示す。もちろん、GTOやSIサイリスタ等を用いてもよい。 For the fifth semiconductor switch S5, a self-extinguishing type or commutation-extinguishing type device can be used. In the second embodiment, an example using a bipolar transistor is shown. Of course, GTO, SI thyristor, or the like may be used.
また、第5の半導体スイッチS5は、そのコレクタ端子とエミッタ端子との間に第8のダイオードD8が接続され、また、ベース端子と第6のダイオードD6のアノード端子との間に並列回路30(第3のダイオードD3と第1の抵抗R1)が接続され、前記ベース端子と第7のダイオードD7のアノード端子との間に並列回路(第5のダイオードD5と第2の抵抗R2)が接続されている。並列回路30の第3のダイオードD3は、そのアノード端子が第5の半導体スイッチS5のベース端子に接続され、カソード端子が第6のダイオードD6のアノード端子に接続される。同様に、並列回路32の第5のダイオードD5は、そのアノード端子が第5の半導体スイッチS5のベース端子に接続され、カソード端子が第7のダイオードD7のアノード端子に接続される。
The fifth semiconductor switch S5 has an eighth diode D8 connected between its collector terminal and emitter terminal, and a parallel circuit 30 (between the base terminal and the anode terminal of the sixth diode D6). The third diode D3 and the first resistor R1) are connected, and a parallel circuit (the fifth diode D5 and the second resistor R2) is connected between the base terminal and the anode terminal of the seventh diode D7. ing. The third diode D3 of the
第2の半導体スイッチS2は、ソース端子が第6のダイオードD6のアノード端子に接続され、ドレイン端子が直流電源12の+端子に接続されている。第4の半導体スイッチS4は、ソース端子が第7のダイオードD7のアノード端子に接続され、ドレイン端子が直流電源12の+端子に接続されている。
The second semiconductor switch S2 has a source terminal connected to the anode terminal of the sixth diode D6 and a drain terminal connected to the + terminal of the
ここで、第2の実施の形態に係るパルス電源10Bの回路動作について、図3の回路図と図4A〜図4Hの波形図とを参照しながら説明する。 Here, the circuit operation of the pulse power supply 10B according to the second embodiment will be described with reference to the circuit diagram of FIG. 3 and the waveform diagrams of FIGS. 4A to 4H.
まず、時点t10において、第1のゲート駆動回路34から第2の半導体スイッチS2のゲート−ソース間に例えば高レベルのスイッチング制御信号Sc1(図4G参照)が供給され、第2の半導体スイッチS2がオフからオンになる。
First, at time t10, for example, a high-level switching control signal Sc1 (see FIG. 4G) is supplied from the first
時点t10で第2の半導体スイッチS2がターンオンすると、トランス14における1次巻線18のタップ接続点20と一方の端子26間には、V1=−E(V)が印加され(図4A参照)、タップ接続点20と他方の端子28間には、V2=−(n2/n1)E(V)が誘導され(図4C参照)、タップ接続点20と一方の端子26間に流れる電流I1は、勾配(E/Lex1)で時間の経過に伴って直線状に正方向に増加する(図4B参照)。
When the second semiconductor switch S2 is turned on at time t10, V1 = −E (V) is applied between the
そして、第2の半導体スイッチS2がオンとなっている期間tw1において、2次巻線16の両端には、一定の負極性の電圧(負極性のパルスP3a)が出力される。この2次巻線16の両端に現れる出力電圧V3のレベルは−(n3/n1)E(V)である(図4E参照)。この期間tw1においては、2次巻線16にはほとんど電流I3は流れず、0(A)が維持される(図4F参照)。 In the period tw1 during which the second semiconductor switch S2 is on, a constant negative voltage (negative pulse P3a) is output to both ends of the secondary winding 16. The level of the output voltage V3 appearing at both ends of the secondary winding 16 is-(n3 / n1) E (V) (see FIG. 4E). In this period tw1, the current I3 hardly flows through the secondary winding 16, and 0 (A) is maintained (see FIG. 4F).
1次巻線18のタップ接続点20と一方の端子26間を流れる電流I1は、時点t11でIp1(=E・tw1/Lex1)となり、所望の電磁エネルギ(=Lex1・Ip12/2)が得られると、第1のゲート駆動回路34を通じて低レベルのスイッチング制御信号Sc1(図4G参照)が供給され、これにより、第2の半導体スイッチS2がターンオフする。
Current I1 flowing between one terminal 26 and the
時点t11において、第2の半導体スイッチS2がターンオフすると、第5の半導体スイッチS5が開放状態となるため、トランス14の1次巻線18に流れていた電流I1は遮断され、トランス14に発生する誘導起電力によって出力電圧V3が急峻に上昇し、正電圧値(V3p1)をピークとした狭いパルス幅のパルスP3bが出力される。この場合も、トランス14の漏れインダクタンスによって、2次巻線16に流れる電流I3の立ち下がりがわずかに緩くなるため、これに応じて、出力電圧V3のピーク値(V3p1)も第2の半導体スイッチS2のオフ時点t11よりもわずかに遅い時点t12で生じることになる。
When the second semiconductor switch S2 is turned off at the time t11, the fifth semiconductor switch S5 is opened, so that the current I1 flowing in the primary winding 18 of the
なお、時点t11からt12の期間においてトランス14における1次巻線18のタップ接続点20と他方の端子28間に誘導される電圧V2=(n2/n3)V3(V)(図4C参照)が直流電源12の電圧(E)より大きくなると、その差電圧(V2−E)が第7のダイオードD7へ逆方向に印加されることになる。この結果、直流電源12への電流流入は阻止され、トランス14に蓄積されたエネルギーは直流電源12へ回生されること無くすべて負荷22で消費されることになる。
Note that the voltage V2 = (n2 / n3) V3 (V) (see FIG. 4C) induced between the
出力電圧V3のピーク値(V3p1)は、負荷22の放電開始電圧により決まる値である。なお、出力電圧V3は、ピークの時点t12を過ぎると、負荷22においてエネルギーが消費されることから、徐々に減衰し、第2の半導体スイッチS2がオフとなっている期間tdの時点t13で基準レベル(0V)になる。
The peak value (V3p1) of the output voltage V3 is a value determined by the discharge start voltage of the
その後、時点t14において、第2のゲート駆動回路36から第4の半導体スイッチS4のゲート−ソース間に例えば高レベルのスイッチング制御信号Sc2(図4H参照)が供給され、第4の半導体スイッチS4がオフからオンになる。
Thereafter, at time t14, for example, a high-level switching control signal Sc2 (see FIG. 4H) is supplied from the second
時点t14で第4の半導体スイッチS4がターンオンすると、トランス14における1次巻線18のタップ接続点20と他方の端子28間には、V2=E(V)が印加され(図4C参照)、タップ接続点20と一方の端子26間には、V1=(n1/n2)E(V)が誘導され(図4A参照)、タップ接続点20と他方の端子28間に流れる電流I2は、勾配−(E/Lex2)で時間の経過に伴って直線状に負方向に増加する。
When the fourth semiconductor switch S4 is turned on at time t14, V2 = E (V) is applied between the
そして、第4の半導体スイッチS4がオンとなっている期間tw2において、2次巻線16の両端には、一定の正極性の電圧(正極性のパルスP3c)が出力される。この2次巻線16の両端に現れる出力電圧V3のレベルは(n3/n2)E(V)である(図4E参照)。この期間tw2においては、2次巻線16にはほとんど電流I3は流れず、0(A)が維持される(図4F参照)。 In the period tw2 during which the fourth semiconductor switch S4 is on, a constant positive voltage (positive pulse P3c) is output to both ends of the secondary winding 16. The level of the output voltage V3 appearing at both ends of the secondary winding 16 is (n3 / n2) E (V) (see FIG. 4E). In this period tw2, the current I3 hardly flows through the secondary winding 16, and 0 (A) is maintained (see FIG. 4F).
1次巻線18のタップ接続点20と他方の端子28間を流れる電流I2は、時点t15でIp2(=E・tw2/Lex2)となり、所望の電磁エネルギ(=Lex2・Ip22/2)が得られると、第2のゲート駆動回路36を通じて低レベルのスイッチング制御信号Sc2(図4H参照)が供給され、これにより、第4の半導体スイッチS4がターンオフする。
Current I2 flowing between the
時点t15において、第4の半導体スイッチS4がターンオフすると、第5の半導体スイッチS5が開放状態となるため、トランス14の1次巻線18に流れていた電流I2は遮断され、トランス14に発生する誘導起電力によって出力電圧V3が急峻に下降し、負電圧値(V3p2)をピークとした狭いパルス幅のパルスP3dが出力される。この場合も、トランス14の漏れインダクタンスによって、2次巻線16に流れる電流I3の立ち下がりがわずかに緩くなるため、これに応じて、出力電圧V3のピーク値(V3p2)も第4の半導体スイッチS4のオフ時点t15よりもわずかに遅い時点t16で生じることになる。
When the fourth semiconductor switch S4 is turned off at the time t15, the fifth semiconductor switch S5 is opened, so that the current I2 flowing in the primary winding 18 of the
なお、時点t15からt16の期間においてトランス14における1次巻線18のタップ接続点20と一方の端子26間に誘導される電圧V1=−(n1/n3)V3(V)(図4A参照)が直流電源12の電圧(−E)より小さくなると、その差電圧(V1−E)が第6のダイオードD6へ逆方向に印加されることになる。この結果、直流電源12への電流流入は阻止され、トランス14に蓄積されたエネルギーは直流電源12へ回生されること無くすべて負荷22で消費されることになる。
It should be noted that voltage V1 = − (n1 / n3) V3 (V) induced between the
出力電圧V3のピーク値(V3p2)は、負荷22の放電開始電圧により決まる値である。なお、出力電圧V3は、ピークの時点t16を過ぎると、負荷22においてエネルギーが消費されることから、徐々に減衰し、第4の半導体スイッチS4がオフとなっている期間tfの時点t17で基準レベル(0V)になる。
The peak value (V3p2) of the output voltage V3 is a value determined by the discharge start voltage of the
このように、第2の実施の形態に係るパルス電源10Bにおいても、特開2002−359979号公報(特許文献2)に示すパルス電源の有利な点を踏襲しながらも、正極性のパルスP3bと負極性のパルスP3dを連続して出力するパルス電源10Bの小型化及び低コスト化を図ることができる。特に、この第2の実施の形態では、1次巻線18を流れる電流を遮断するための半導体スイッチが1つで済むため、制御が容易になると共に、小型化にも有利なる。 As described above, in the pulse power supply 10B according to the second embodiment, the positive pulse P3b and the pulse power supply 10B according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-359979 (patent document 2) are also used. The pulse power supply 10B that continuously outputs the negative pulse P3d can be reduced in size and cost. In particular, in the second embodiment, since only one semiconductor switch for interrupting the current flowing through the primary winding 18 is required, control is facilitated and it is advantageous for downsizing.
なお、本発明に係るパルス電源は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 The pulse power supply according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
10A、10B…パルス電源 12…直流電源
14…トランス 16…2次巻線
18…1次巻線 D1〜D8…ダイオード
S1〜S5…半導体スイッチ
10A, 10B ...
Claims (1)
直流電源と、
前記トランスの一次巻線に設けられたタップ接続点と、
前記直流電源の−端子と前記タップ接続点との間に接続され、前記一次巻線に流れる電流を前記直流電源側に引き込む第1のスイッチング素子と、
前記直流電源の+端子と前記一次巻線の一方の端子との間に順方向に接続された第1のダイオードと、
前記直流電源の+端子と前記一次巻線の他方の端子との間に順方向に接続された第2のダイオードと、
前記直流電源の+端子と前記第1のダイオードとの間に接続され、オン動作することで、前記直流電源から前記第1のダイオード及び前記一次巻線の前記一方の端子を経由して前記タップ接続点に向けて電流を流して、前記タップ接続点と前記一方の端子間の電圧を負極性の電圧、前記トランスの二次巻線の電圧を負極性の電圧とし、オフ動作することで、前記トランスの二次巻線の電圧を正極性の電圧とする第2のスイッチング素子と、
前記直流電源の+端子と前記第2のダイオードとの間に接続され、オン動作することで、前記直流電源から前記第2のダイオード及び前記一次巻線の前記他方の端子を経由して前記タップ接続点に向けて電流を流して、前記タップ接続点と前記他方の端子間の電圧を正極性の電圧、前記トランスの二次巻線の電圧を正極性の電圧とし、オフ動作することで、前記トランスの二次巻線の電圧を負極性の電圧とする第3のスイッチング素子とを有し、
前記第1のスイッチング素子は、バイポーラトランジスタにて構成され、そのゲート端子と前記第1のダイオードのアノード端子間に、前記ゲート端子から前記第1のダイオードの前記アノード端子の方向を順方向とする第3のダイオードと第1の抵抗との第1の並列回路が接続され、且つ、前記ゲート端子と前記第2のダイオードのアノード端子間に、前記ゲート端子から前記第2のダイオードの前記アノード端子の方向を順方向とする第4のダイオードと第2の抵抗との第2の並列回路が接続されていることを特徴とするパルス電源。 Accumulation of first induced energy in the transformer, generation of a first pulse associated with the release of the first induced energy from the transformer, and a second polarity opposite to the first induced energy in the transformer In a pulse power source that performs accumulation of inductive energy and generation of a second pulse having a polarity opposite to that of the first pulse accompanying release of the second inductive energy from the transformer,
DC power supply,
A tap connection point provided in the primary winding of the transformer;
A first switching element connected between the negative terminal of the DC power supply and the tap connection point, and drawing current flowing through the primary winding to the DC power supply side;
A first diode connected in a forward direction between a positive terminal of the DC power source and one terminal of the primary winding;
A second diode connected in a forward direction between the positive terminal of the DC power source and the other terminal of the primary winding;
The tap is connected between the positive terminal of the DC power source and the first diode, and is turned on so that the tap from the DC power source passes through the first diode and the one terminal of the primary winding. By flowing a current toward the connection point, the voltage between the tap connection point and the one terminal is a negative voltage, the voltage of the secondary winding of the transformer is a negative voltage, A second switching element in which the voltage of the secondary winding of the transformer is a positive voltage;
The tap is connected between the + terminal of the DC power supply and the second diode, and is turned on, so that the tap from the DC power supply passes through the second diode and the other terminal of the primary winding. By flowing current toward the connection point, the voltage between the tap connection point and the other terminal is a positive voltage, the voltage of the secondary winding of the transformer is a positive voltage, have a third switching element for the voltage of the transformer secondary winding and a negative polarity voltage,
The first switching element is composed of a bipolar transistor, and a forward direction is defined between the gate terminal and the anode terminal of the first diode between the gate terminal and the anode terminal of the first diode. A first parallel circuit of a third diode and a first resistor is connected, and between the gate terminal and the anode terminal of the second diode, the gate terminal to the anode terminal of the second diode fourth diode and pulse power source second parallel circuit of a second resistor is characterized that it is connected to the direction forward.
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